共价改性氧化石墨烯/聚砜混合基质膜的研究进展

李盼莹 , 周媛媛 , 耿丹阳 , 吴 冰 , 代梦莹

(华北水利水电大学 环境与市政工程学院 , 河南 郑州 450046)

0 前言

1 氧化石墨烯/聚砜膜

通过共混法对聚砜膜进行改性是一种方便的技术,在聚砜膜中加入氧化石墨烯可以提高膜的性能。GANESH等[5]报道了聚砜/氧化石墨烯混合基质膜的合成,以研究其耐盐性,结果表明,添加氧化石墨烯之后对Na2SO4的截留率高达72%。BADRINEZHAD等[6]制备了不同氧化石墨烯比例的聚砜/氧化石墨烯复合膜,PSF/GO-1.25对MB的截留效率为84.20%。NASSERI等[7]合成了聚砜/氧化石墨烯纳米复合膜去除水中的双酚A(BPA),在最佳实验条件下,BPA的去除率高达93%。RAVISHANKAR等[8]制备了GO-PSF共混超滤膜,与原PSF膜相比,制备的膜的亲水性和孔隙率均有所提高,结果表明,质量1%的GO-PSF膜在0.1 MPa压力下对铅的截留率高达98%。结果表明,氧化石墨烯/聚砜膜在水处理领域具有广阔的应用前景。

2 氧化石墨烯共价功能化

氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团可以增强亲水性,因此,氧化石墨烯可以用于提高聚砜膜的渗透性、选择性和机械强度等性能。然而,氧化石墨烯在聚砜中的聚集是需要解决的问题,对其功能化是一个合适的解决方案。氧化石墨烯的共价功能化可以通过多种技术来实现,主要是基于氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团与功能分子之间的化学反应,其表面存在大量的羧基、环氧基和羟基,提供反应位点,容易发生化学反应,如异氰化、羧基酰化、环氧开环、重氮化和加成[9-11]。

不同官能团共价功能化氧化石墨烯如表1所示,通过对氧化石墨烯进行共价改性,使其能够更好地分散在聚砜膜中,进一步提高氧化石墨烯/聚砜膜的性能。

表1 共价改性氧化石墨烯/聚砜膜的性能

2.1 羧基功能化

2.2 环氧基功能化

环氧基可与含氨基或巯基的分子发生亲核加成反应,环氧基开环形成羟基。例如,XU等[19]合成了含氧叠氮基功能化氧化石墨烯(AGO)纳米片,通过氢键、共价键和静电相互作用与聚合物基体产生强相互作用,在聚砜膜中获得了较高的分散性和界面相容性,AGO/PSF混合基质膜纯水通量高达245.1 L/(m2·h),对BSA的截除率为95.8%;此外,AGO/PSF膜的通量回收率(80.3%)远远高于PSF膜(64.9%),具有良好的抗污能力,同时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有较好的抗菌活性。

2.3 羟基功能化

羟基可与氨基、酰基、异氰酸等发生化学反应,但由于羟基的反应活性次于羧基和环氧基,所以发生化学反应时主要以羧基和环氧基为主。ZHAO等[20]制备了异氰酸酯改性氧化石墨烯/聚砜膜,异氰酸酯可以与氧化石墨烯的羟基和羧基反应形成氨基甲酸酯和酰胺官能团,通过异氰酸酯的连接,相邻的氧化石墨烯纳米片之间可以形成牢固的共价键。此外,REHAN等[21]将C-GO纳米片加入聚砜膜基质中,将羟基(—OH)官能团转化为羧基(—COOH)官能团,增加羧基的含量,羧基与聚砜膜的功能基团之间具有很强的氢键作用,可以有效分散到聚砜中,增加膜的亲水性,从而去除染料废水等。

3 总结

本文综述了共价改性氧化石墨烯/聚砜混合基质膜的研究进展,通过对氧化石墨烯进行共价改性,提高氧化石墨烯在聚砜膜中的分散性和相容性,制备出具有较高的水通量、选择性和抗污染性能的膜。尽管有这些进步,但仍需要探索更多的改性方法,以提高渗透性,实现更高的选择性,用于染料分离、油水分离、金属离子去除和乳品行业的蛋白质分离等。